swift的研发

SWIFT是一架高性能跑步起飞山坡滑翔机，其设计结合了悬挂滑翔机（这里的悬挂滑翔机 hangglider 是指三角翼（洛加罗Rogallo翼）或者改良的现代三角翼悬挂滑翔机）的便捷性和普通布局滑翔机的高性能。该机起降方式通悬挂滑翔机一样，但是拥有悬挂滑翔机所不具有的在高速的时候的高性能――高达25的滑翔比；虽然SWIFT是使用襟翼，副翼操纵的的悬臂机翼结构但是其重量只有不到100磅，并且很容易拆开装在小车顶上运输；本文介绍这架滑翔机的设计，建造和飞行测试。

历史
这架滑翔机是两个具有不同特长的小组在追求大致相同的目的的时候相遇而产生的一个硕果。1986年一月，Brian Robbins, Craig Catto（这哥们是一设计悬挂滑翔机和超轻型飞机的牛人）和 Eric Beckman着手设计一架新悬挂滑翔机，要求性能超越当时所有的悬挂滑翔机。在BrightStar Hang Gliders公司，Brian 和Eric在Craig的协助下开始设计Odyssey（奥德赛），这是一架硬翼的悬挂滑翔机（rigid wing hang glider，这里区别于三角翼即洛加罗Rogallo翼）Odyssey的设计利用了玻璃钢和凯芙拉，碳纤维和铝合金组成的D形前缘盒形结构，加上泡沫翼肋（译者注：这里注意一下，这个泡沫因该不是聚苯乙烯泡沫，可能是。。。。。。），支撑mylar蒙皮 (译者注Mylay, 美国杜邦公司的聚酯薄膜的商品名，化学名称PET)。第一架原型机于1986年3月完成，基于飞机的测试和飞行试验在随后的两年中取得了很快的进展。1988年Brian Porter加入BrightStar作为竞赛队员，参加了1989年在加州Dunlap举行的的全国悬挂滑翔机冠军赛并获得冠军。即使获得了如此之成绩，对于研发高性能固定翼悬挂滑翔机而言仍然有许多工作需要做。

在距离BrightStar公司南边两小时车程的斯坦福大学，目的型能类似奥的赛的高性能滑翔机设计工作自1985年一直在进行。该校航空系的Ilan Kroo教授为此提供总体设计课程，很快一个研究生团队组织起来，进行了大量计算工作，产生了大量研究报告和一些很有意思的气动设计结果。虽然该设计看起来很不错，而且有可能是世界上最仔细分析的设计结果，但是就学生们的制造经验而言，该机很可能成为仅仅是一个学术练习而已。

1989年，斯坦福的博士生Steve Morris（史蒂夫，莫瑞斯）在McClure水库的Fly－in活动（fly－in，就是美国试验飞机协会――EAA举行的飞行聚会，大家开着自己的试验飞机飞到一个机场聚会,EAA同时组织器材销售，制造，飞行培训）上遇见了Brian Porter，随后“五人组合”在Robbin家讨论了奥的赛和SWIFT项目的情况和Robbin老妈制作的皮萨。Brian认为或许Ilan 和 Steve能够改进奥的赛的翼型。而Ilan 和Steve认为Brian可以试验悬挂滑翔机的气动操纵性能。通过一系列的交流，大家认识到一个全新的设计是完全可能的，并且Brian可以制造出来。四个月之后，1989年11月，SWIFT 在Marin郡的一个小山上飞上了蓝天。

图一，第一架原型机.

气动设计

外形和性能限制

SWIFT的设计源于越野翱翔飞行的需求。Ilan曾在1982年的一期《悬挂滑翔》杂志上撰文描述对于Dick Johnson所测量的热气流分布和热气流间的下降气流情况而言，远程越野飞行需要什么什么样的滑翔机。文中的一个结论就是在热气流之间飞行的时候，需要滑翔比至少达到15到18，而相应的下沉率不能超过0.5 节才能比较容易的完成目标。在当时，仅有十来个飞行员完成了100英里的飞行。

即使是在今天，虽然300英里的记录已经创造，但绝大多数飞行员还是未曾飞跃100英里。其中一个重要因素就是飞行速度。热气流翱翔的所遇到的一个重要问题就是热气流基本都是依赖白天的阳光，所以要求越野飞行的平均速度不能低于20节，或者说要在五个小时之内飞跃100英里。要求因此，远程越野飞行不仅仅要求滑翔机具有良好的滑翔比在落地前抵达下一个气流，而且要求其具有足够的速度抵抗顶风和足够小的下沉率。如果仅仅是增加翼展，增加翼载荷，这些要求还是比较容易满足的。但是如果滑翔机是利用跑步起飞的话，其必须足够轻，而且翼展不能太大，而且翼载荷必须小。对Johnson的数据和George Worthington在Reno地区使用Mitchell Wing的飞行中所记录的气压数据的进一步研究表明，对于跑步起飞的悬挂滑翔机的性能所要求的气动设计是勉强可能实现的。因此，如下的设计性能要求确定下来，进入滑翔机的外形设计工作。

1．在半径100英尺的盘旋时，最小下沉率为 200英尺/每分钟

2．最大升阻比 20

3．在时速60节的时候，升阻比为15

4．失速速度：不高于现有悬挂滑翔机对于跑步起飞降落安全要求速度。

5．重量：不大于90磅

6．对于最小速度时的安全操控要求

设计限制中的第四条就意味着即使是使用大型襟翼，翼面积应该控制在120至140平方英尺之间。由此，第三个限制的实施就变得非常困难，要求前所未有的流线气动设计。为了达到所要求的性能，低阻翼型和非常好的驾驶员整流是必须的。如图二的下沉曲线表明整流的重要性，尤其是对于很轻的滑翔机在高速的时候。（译者注：最大升阻比的获得历来都是通过减小阻力实现，而非增加升力，只有在着陆的时候，才需要高升高阻来降低速度）下图同样预测了SWIFT的下沉率同其他滑翔机的比较。显然SWIFT高于同类悬挂滑翔机，而相比Schweizer

图二：性能比较。

布局研究

如果没有其他方面做的特别糟糕外，一架滑翔机的性能基本上取决于其翼展，面积，流线情况。滑翔机的总体布局设计，是普通布局，鸭式，无尾还是其他布局，基本上都是基于我们对诸如拆装，运输便捷，操控性能，可制造性等等要求而定的。在SWIFT 的研发过程中对几种可能的布局都进行了仔细的研究分析，分析结果表明：对于性能而言，无尾，正常同鸭式布局之间没有显著差异。但是对于正常式布局，在滑翔机着陆拉平和起飞时候的防擦尾要求下尾力臂就不得不设计的很短。而鸭式布局在主翼后略角很小的时候（同样是防擦尾要求导致）方向稳定性不佳，同样由于近距离耦合设计的鸭翼导致鸭式布局的优点未能充分发挥。而无尾布局对于各个角度都取得了整体的平衡，紧凑并且没有付出尾梁重量的代价――注意，即使是5磅的尾梁重量也增加了5％的全机重量。

一些大家熟知的无尾飞翼缺点通过仔细的机翼气动设计得以减小：即使用后略，削尖比，扭转的合适安排使用通常带有负俯仰力矩的常用翼型代替了S翼型（译者注：S翼型：中弧线为S型的翼型，翼型俯仰力矩为零，或者为正）。这样做的代价是通过后缘的控制面来完成配平。其中一个配平面即是很大的襟翼，占到了展长的45％。当需要高升力系数的时候，襟翼向下偏转；在进境和着陆的时候，襟翼向下的偏转可以达到45度，降低滑翔比到一个可以控制的状态，同时降低滑翔机的速度以便站立着陆。我们以这种使用控制面来配平的方式来命名这架滑翔机，虽然这个名字很容易同一系列Swift（褐雨燕）飞机混淆；BrightStar 的SWIFT是Swept Wing with Inboard Flap for Trim 的缩写（使用襟翼配平的后略飞翼）

Figure 3. SWIFT 的气动布局
稳定性和操纵性
任何一个飞过翼展达38英尺的硬翼悬挂滑翔机的飞行员都知道如果没有良好的操控性能，再好的性能也没用。此项目的一个中哟目标就是改善跑步起飞滑翔机的操控性能，而SWIFT的许多特点也是为此而产生；小的削尖比增加了该机的气动阻尼，减小了在极端情况下发生振荡的可能性，同时增加了副翼在低速时候的操控能力。使用气动俯仰控制方式，使滑翔机在很宽的速度范围内都可以有效配平，同时小的杆力使驾驶员在使用重心控制方式难以胜任的极端情况下能够有效的控制滑翔机。通过较小的削尖比，高效的扭转，和源于DC－9的涡流发生器使该机的失速特性得到很大的提高。

SWIFT的翼稍小翼为一个固定翼面，没有方向舵。其增加了有效翼展，但更重要的作用是增加了航向稳定和增强了滚转控制能力。半翼展的副翼提供了重心移动无法实现的滚转控制能力。这些控制面同翼稍小翼结合为SWIFT提供了非常好的横侧控制能力,没有使用阻力方向舵所带来的性能损失和控制延迟问题。翼稍小翼和副翼的尺寸是由计算机模拟仿真计算和两架由Steve 和Ilan制作的无线电遥控自由飞模型飞行试验得出的。

Figure 4. 在斯坦福飞翔的无线电遥控模型试验照片

翼型设计
SWIFT的翼型是由斯坦福的研发小组专门为之设计的。设计目标是工作在雷诺数范围为700,000 到2,000,000的范围之间，具有较小的负俯仰力矩的翼型。设计希望翼型的弦向前25％保持层流，即使在乱流和雨中保持不了的层流的时候，阻力也不会增加太多的翼型。这种设计理念来自于机翼的前25％是精确加工保持非常光滑的表面；最初的翼型在安装副翼，襟翼的地方厚度很大，以保持足够的强度，但是原型机试验表明控制面和主翼之间的缝隙导致阻力很大；所以翼型又修改为在安装控制面的地方厚度很小成功的减小了控制面在偏转的时候的阻力。除了使用NASA的机翼设计软件外，在原型机试验前翼型没有经过试验。原型机制造出来后，将之固定在卡车上的气动试验表明翼型的工作情况如同预计的一样好，但更多的衍进工作仍需进行。

机翼优化

SWIFT气动设计的最后一步是复杂的优化工作，在机翼削尖比，扭转，襟翼，副翼的大小，偏转角度，机翼面积的选择，取舍工作。有利于高速飞行的特点会损害盘热气流能力或者导致增加了失速速度。最后的优化取舍工作通过使用计算机仿真长距离的越野飞行和神经网络优化算法选择对于整个热气流越野飞行过程最优的设计方案。仿真模型包括热气流模型，热气流间的下沉，完整的气动分析结果（面元法）

用于气动计算的SWIFT网格模型

Structural Design and Construction
结构设计于制造
SWIFT的结构设计要求是要满足低阻设计的要求（悬臂结构，精确的翼型加工）和重量轻。机翼结构是使用D型盒的前25％，其后25％～75％处使用翼肋。原型机使用铝合金D型前缘盒同Mylar蒙皮，以减小成本和迅速加工。这样可以在制作量产模具前改进设计。虽然原型机的重量为100磅，但是量产型的SWIFT使用凯芙拉蒙皮和碳纤维大梁会降低一些重量。该机需要承载的载荷是非常大的，因为该机在高速飞行的时候设计翼载非常小（即，面积很大，所用到的升力系数很小）而突风载荷就被放大了很多。为了满足FAA对于滑翔机的抗突风设计要求，设计要求能够承受正负24英尺每秒的垂直突风. 而SWIFT的设计速度高于60节，所以设计过载为6G。原型机的静力试验做到了5g的过载，以满足试飞的需求。

飞行员的整流也是一个重要的设计问题。基于Brian Porter 在Voyager and Odyssey 的经验，，这里采用了铝合金骨架14 mil Lexan 全蒙皮的坐舱。起飞着陆的时候，飞行员通过肩带支撑滑翔机，在空中的时候飞行员通过Mitchell Wing 的吊带斜躺在坐舱里面。 .

车载和飞行试验

Flight and Vehicle Testing
原型机首先被固定在Brian Robbin 的皮卡上面，装上仪器和配重进行试验。试验时原型机的俯仰是没有固定的，以测试在不同速度下配平所需要的舵面位置。同时机翼表面贴满了小毛线头以观察失速是从翼面那个位置开始的，这样就可以决定vortilon 绕流器的安装位置。除了第一架原型机翼型在控制面的铰链处间隙太大导致气流分离以外（第二架原型机改掉了这个问题），试验没有太多意外发生。飞行试验于1989年11月开始。

Eric 和 Brian Porter开始在位于Marin County的五十英尺的小山上开始试验。站立在微风中蔋TTP/1.1 200 OK Server: Huadun-Server/3.0 Content-Length: 275 Content-type: text/html /> -->